橋式抓斗卸船機鋼絲繩散股現象原因分析與整改對策

陳 串 王東升 鄔明立 劉玉龍

1 舟山鼠浪湖碼頭有限公司 2 寧波舟山港北侖礦石碼頭分公司

1 引言

為保證鋼絲繩的安全使用,國家質監局和國家標準化管委會聯合發布的GB8918、GB/T20118、GB/T3811等規范,對鋼絲繩的理化性能做出規定。某橋式抓斗卸船機的起升開閉主鋼絲繩直徑為53 mm,卷筒及滑輪直徑為1 700 mm。該卸船機鋼絲繩一直存在輕微散股問題,更換鋼絲繩品牌后,卸船機起升開閉主鋼絲繩散股現象出現的更加頻繁,其中海陸側開閉鋼絲繩及抓斗鋼絲繩梨形索節根部散股尤為嚴重。梨形索節根部散股會造成繩股疲勞斷絲,導致索節根部鋼絲繩斷股甚至斷繩,對港口的安全生產帶來隱患。

針對鋼絲繩散股問題,從鋼絲繩纏繞系統設計、鋼絲繩制造質量、安裝方式、使用環境等方面進行原因分析,并提出整改措施。

2 鋼絲繩散股原因分析

2.1 鋼絲繩纏繞系統設計分析

機械差動補償牽引小車式抓斗卸船機的起升開閉鋼絲繩從卷筒開始,經過過渡滑輪和起升開閉滑輪,與抓斗鋼絲繩用梨形繩套索節相連,鋼絲繩繞繩系統見圖1。

1.支持滑輪?1 800 2.過渡滑輪?1 700 3.開閉滑輪?1 8004.海側支持鋼絲繩?53 5.卷筒?1 680 6.海側開閉鋼絲繩?53 7.抓斗海側開閉鋼絲繩?53 8.陸側支持鋼絲繩?53 9.陸側開閉鋼絲繩?53圖1 橋式抓斗卸船機起升開閉繞繩系統

這種繞繩方式下,鋼絲繩進出卷筒會導致股間松散。以陸側開閉鋼絲繩為例,對鋼絲繩纏繞系統進行分析。陸側開閉鋼絲繩本身通過左交右捻內外層反捻的方式使整根鋼絲繩的扭轉應力接近于零。該鋼絲繩在進入左旋卷筒時,繩槽向左排布的卷筒將扭緊力帶入左交右捻鋼絲繩,使之受到輕微扭轉,鋼絲繩股間更緊。當右旋鋼絲繩出卷筒槽時,繩股之間受到反向的松散力,使鋼絲繩股間出現松散現象。如果使用制作過程中沒有經過預拉伸的鋼絲繩,鋼絲繩本身存在彈性恢復力,受拉后此松散力大幅增加。上述2股松散力疊加破壞鋼絲繩的扭轉應力平衡,多個工作循環后,鋼絲繩松散力將會持續增加,并通過滑輪系統,在鋼絲繩梨形繩套索節根部集中,造成根部散股。同時,在卸船機的每一個作業循環中,當抓斗開斗放料時,鋼絲繩的負載發生突變,導致鋼絲繩內部的應力甚至結構發生變化,致使鋼絲繩散股加劇。

進一步分析可知,鋼絲繩卷筒的出繩點是沿著軸向移動的,且滑輪系統中各滑輪的中心線不在同一直線上,導致鋼絲繩運動中進出卷筒和滑輪時有一定偏角。當鋼絲繩進出卷筒繩槽和滑輪繩槽時,首先與繩槽的側面接觸,然后向下一直滑動到繩槽底部。在這個過程中產生的摩擦力使鋼絲繩發生自轉,滑輪槽口越小,鋼絲繩接觸滑輪的點越遠離繩槽底部,其偏轉角越大,鋼絲繩扭轉的角度也越大。

根據受力分析可知(見圖2),與滑輪接觸的股1、股2在鋼絲繩進出滑輪過程中會對鋼絲繩產生切向力,從而使鋼絲繩內部產生附加扭轉力矩。鋼絲繩的偏磨角度越大,其與滑輪接觸的點就越高,滑到槽底時繞自身扭轉的角度也越大。另一方面,鋼絲繩在滑輪里彎曲時,外股鋼絲由于伸長多會向內弧擠壓,造成側股3、股4松散。上述2個因素導致鋼絲繩的松散扭矩增加,且附加在鋼絲繩上的扭矩會經過多個滑輪疊加,最終集中到梨形繩套根部,導致梨形繩套索節根部散股。

圖2 鋼絲繩偏磨示意圖

2.2 鋼絲繩特性分析

該橋式抓斗卸船機的起升開閉鋼絲繩及抓斗鋼絲繩型號為6×SW36+IWRC-53-1770,鋼絲繩繩股數為6,類型為西瓦式,具備抗疲勞性強、金屬斷面大、耐磨性好等優點。該型號鋼絲繩的結構及繩股幾何結構見圖3。該鋼絲繩為二次捻制鋼絲繩,在制作時先由鋼絲繞中心鋼絲螺旋捻制成繩股,再由繩股以繩芯為中心螺旋捻制成繩。在捻制過程中,鋼絲及繩股在產生彎曲變形的同時也會產生殘余應力,該應力導致鋼絲繩出現散股現象,同時破壞鋼絲繩的結構,影響鋼絲繩的性能。

圖3 鋼絲繩結構及繩股幾何結構圖

捻距H越大,捻角α越小,鋼絲繩繩股在捻制過程中扭轉變形程度越小,彈性恢復力越大,鋼絲繩合股后在使用過程中就容易發生散股現象。目前GB 8918、GB/T 20118等規范中未對鋼絲繩的捻距做相應規定,僅要求鋼絲繩應捻制均勻、緊密、不松散。參考王桂蘭等進行的《基于微分幾何學的鋼絲繩結構CAD》研究,6股交互捻鋼絲繩在捻距倍數(H/D)為6時,擁有較好的接觸狀態及應力應變分布[1]。經過計算,新更換的鋼絲繩平均捻距倍數達到6.45,局部位置捻距倍數達到6.98。新鋼絲繩存在捻距不均,捻距值偏大,繩股彈性恢復力大等問題,是導致換后鋼絲繩散股現象增加、散股時間間隔縮短的原因之一。

2.3 滑輪磨損分析

鋼絲繩滑輪磨損導致鋼絲繩股間受力不均,鋼絲繩彎曲狀態下內弧股會被擠壓導致散股。根據機械設計手冊,滑輪繩槽的直徑一般為鋼絲繩直徑的1.06～1.08倍。經現場跟蹤測量,該橋式抓斗卸船機上前后大梁頭部滑輪、主小車滑輪等輪槽普遍磨損嚴重,繩槽由出廠時的?58 mm磨損到?53 mm。正常情況下鋼絲繩繩股中有3股與滑輪槽接觸,鋼絲繩彎曲狀態下通過繩芯將擠壓力傳遞到另外3股,整根鋼絲繩受力平均,不會發生擠壓散股現象(見圖4)。

圖4 鋼絲繩與正常滑輪接觸

新鋼絲繩在制作過程中,為保證鋼絲繩的最小破斷拉力,鋼絲繩直徑要求為正偏差。GB8918中也有相關規定,鋼絲繩公稱直徑應滿足5%偏差。公稱直徑53 mm的鋼絲繩實際測量直徑在在54～56 mm之間。滑輪輪槽磨損后,當換上新鋼絲繩時,鋼絲繩與滑輪輪槽不匹配,鋼絲繩中只有2股與輪槽接觸(見圖5)。外側股在彎曲過程中會對股1造成擠壓,導致股1松散,從而導致鋼絲繩結構不穩,長時間積累造成整體散股。

圖5 鋼絲繩與磨損輪槽接觸

2.4 鋼絲繩安裝過程中應力未完全釋放

新采購的鋼絲繩在出廠和運輸時一般儲存在繩筒工裝中,纏繞前鋼絲繩在制作過程中產生的旋轉內力沒有得到充分釋放。卸船機鋼絲繩在更換時,直接由機上舊鋼絲繩牽引新鋼絲繩進入起升開閉系統中,鋼絲繩的扭轉應力得不到完全釋放。另一方面,鋼絲繩在進出卷筒及卸船機作業過程中,扭轉應力累加,開閉鋼絲繩與抓斗開閉鋼絲繩帶載情況下,扭轉應力在梨形索節根部應力集中,從而導致索節根部繩散股。

3 整改對策

通過分析卸船機鋼絲繩散股原因發現,一部分是由卸船機起升開閉系統中存在的無法避免的固有缺陷;另一部分是由于鋼絲繩制作和使用過程中存在問題導致。根據不同鋼絲繩散股問題的分析結果提出以下整改措施。

(1)與鋼絲繩制造企業進行技術交流,明確鋼絲繩捻距倍數不超過6.2,保證鋼絲繩合股過程中捻距的均勻性,使鋼絲繩擁有較好的繩股接觸狀態及應力應變分布,提高鋼絲繩質量。同時,在捻制前對鋼絲及繩股進行預變形處理,使鋼絲的塑性變形曲率半徑與螺旋線曲率半徑保持一致,減少捻制合繩成形的殘余應力。鋼絲繩在被捻制后再采用后變形器,進一步消除殘余應力。

(2)制定卸船機滑輪管理規范,加大滑輪繩槽測量頻次,對磨損量較大的滑輪進行更換處理,盡量避免鋼絲繩與繩槽不匹配造成的擠壓松散現象。其次,在更換新滑輪時,適當增加繩槽的開槽角度。當鋼絲繩與較大槽角的滑輪接觸時,接觸點降低,更靠近繩槽底部,鋼絲繩扭轉的角度也將比小槽角滑輪的小,有利于減少鋼絲繩的扭轉力矩。

(3)鋼絲繩在從滑輪繩槽側邊滾動到底部過程中,同時存在滑動摩擦與滾動摩擦,其扭轉力矩的大小與鋼絲繩和繩槽之間的摩擦系數有關。通過定期在鋼絲繩上涂抹潤滑油,并在滑輪槽上適當涂抹潤滑脂,減小鋼絲繩與繩槽之間的摩擦系數,從而減少因摩擦而產生的扭轉力矩。另一方面,良好的鋼絲繩潤滑也能減少股與股之間的接觸應力,進而減少鋼絲繩的扭轉應力。

(4)受限于鋼絲繩的制作及運輸,鋼絲繩的初始扭轉應力是不可避免的。但在鋼絲繩安裝使用過程中,可以通過以下手段減少鋼絲繩的扭轉應力。一是鋼絲繩更換完成后,將繩筒中的鋼絲繩平鋪在碼頭面,消除鋼絲繩扭轉應力;二是在鋼絲繩被牽引到起升開閉系統后,保持繩端懸空不受力一段時間,讓鋼絲繩安裝過程中產生的扭轉力矩在繩端釋放;三是鋼絲繩在經過一段時間的循環作業后,手動打開連接起升開閉鋼絲繩和抓斗的梨形繩套索節,保持繩端懸空,釋放作業過程中積累的扭轉應力。

(5)鋼絲繩散股現象主要發生在梨形繩套索節根部。由于索節根部鋼絲繩在循環作業過程中反復通過主小車滑輪產生彎折,繩散股后更容易發生疲勞斷絲,因此繩根部散股比中部散股危險性更大。為保證根部鋼絲繩有較大的抗扭能力,對梨形繩套澆筑工藝進行優化,對鋼絲繩的綁扎鉛絲進行調整。在保證鋼絲繩散絲和折彎的長度的前提下,將綁扎的鉛絲多拉進梨形繩套根部20 mm,在梨形繩套澆鑄合金過程中使根部鋼絲繩更好的結合成一個整體,提高鋼絲繩的抗扭能力,保證索節根部鋼絲繩不散股(見圖6)。

圖6 綁扎鉛絲與梨形繩套位置示意圖

(6)采用扭力釋放器來釋放索節根部應力。鋼絲繩更換完畢后,在鋼絲繩尾部安裝扭力釋放器。釋放鋼絲繩扭力時,抓斗閉斗,起升到上停止位置。

然后,卸船機的主小車及起升機構做往復動作,使新換的鋼絲繩在卷筒及滑輪系統中充分運動。運動中產生的扭轉力矩向梨形索節根部集中,再通過C型環傳遞到扭力釋放器,帶動扭力釋放器旋轉,消除鋼絲繩運動過程中產生的扭轉力矩。在動態消除應力后取下扭矩釋放器。

4 結語

目前的國標中對各種結構鋼絲繩的公稱直徑、質量、公稱抗拉強度等理化性能有明確的量化指標,但對捻距及捻距倍數無明確規定,僅模糊要求鋼絲繩應捻制均勻、緊密、不松散,且在行業中也沒有明確的標準,不同廠家的鋼絲繩捻距有一定差異,這對鋼絲繩的安全使用有較大影響。

通過整改后,橋式抓斗卸船機起升開閉及抓斗鋼絲繩的散股頻次明顯降低,梨形繩套根部散股現象明顯減少,可大幅度降低因散股而更換鋼絲繩的維護成本,提高設備運行的安全性和穩定性。